基于FPGA的电机测试系统设计

2022-03-17蔡永东竺春祥吉嘉伟丁哲铼郑逸鉴张珂钱嘉程

电子测试 2022年5期

关键词：方波峰峰脉冲

蔡永东，竺春祥，吉嘉伟，丁哲铼，郑逸鉴，张珂，钱嘉程

（中国计量大学工程训练中心，浙江杭州，310000）

0 前言

本文设计了基于FPGA的电机测试系统。FPGA与MCU通过FSMC通讯，同时满足高速加载和高速处理。FPGA的高速数据处理优势在电机测试过程中体现在系统对信号的测量误差小，响应快、精度高等方面，并且该系统易于小型化、可操作性强、集成度高。

1 电机测试系统总体结构设计

图1为电机测试系统总体结构图。系统硬件部分主要由STM32、FPGA、ADC模块和DDS模块组成。STM32主要包括以太网通信电路、SDRAM数据缓存电路等。FPGA包括脉冲输出电路（CO模块）、转速/转矩测量输入模块（CI模块）、高速DDS模拟量输出模块ACM9767、高速 ADC模拟量输入模块ACM7606、低通滤波电路。装置主要工作流程：系统与FPGA 的硬件连接初始化，FreeRTOS初始化，与此同时，FPGA各路控制线程启动。当接收到STM32的测试波形指令时，FPGA测量相应的峰峰值、频率值；当接收到STM32的输出波形指令时，输出相应波形的信号。

图1 电机测试系统总体结构图

2 硬件电路设计

FPGA主控采用Cy-clone IV系列的芯片,型号为EP4CE40F23C8N，拥有 8个 I/O Bank，532个用户 I/O，适合多通道同步数据采集与处理场景。STM32主控芯片采用STM32H743ZIT6，单核480MHz及丰富的资源，适用于工业场景同时满足高性能及显示要求的应用。使用EDA技术设计电路板，完成产品设计，设计制作嵌入式最小系统电路、电机控制电路、接口电路。

硬件电路组成如图2所示，主要包括：1.LCD显示，2.双通道 DDS（ACM9767）AO输出，3.FPGA，4.STM32，5.网线RJ45接口，6.逻辑电平输出（DO-3.3V），7.脉冲输出电路（CO），8.AI-8通道ADC模块、ACM7606，9.上位机操作软件，10.方波输入频率测量（CI）。

图2 硬件电路实物

3 软件程序设计

软件程序设计总体结构如图3所示。包括上位机软件开发,嵌入式软件开发和硬件编程语言设计。如图4所示，上位机软件使用QChart绘图库在Qt开发环境下，通过TCP/IP协议，建立与下位机的通信连接，实现电机系统实时的参数测量、数据存储及可视化。嵌入式STM32使用Visual Studio及其插件Visual GDB在线调试,实时接收FPGA传送的数据，合理管理各个线程，将数据通TCP/IP协议传送。FPGA使用Quartus Prime设计并制作测量控制电路系统，进行时序设计和检验，实现ADC采集、DDS输出和FSMC协议通信等功能。

图3 软件整体结构

图4 上位机操作界面

4 实验结果分析

该电机测试系统可以测量1-100KHz的脉冲输入信号，精度控制在0.2%以内，满足电机实际转矩转速的脉冲频率测量。高速ADC可以快速测量5-300Hz 的电机电压的实际输出量，通过FSMC与网口迅速传给上位机实现实时控制。DO输出3.3V电压稳定，可控制电机的开启关闭等状态CO输出1-100KHz的PWM波（上位机默认占空比设定为50%），频率输出稳定，可作为直流电机的控制信号。在10-10KHz部分，AO 输出波形的峰峰值稳定，频率输出的相对误差整体小于0.2%，可以作为电机其他转矩动态测量所需的信号。综上测试结果显示，该FPGA与MCU的异构系统具有较快的响应速度与较高的测量精度满足电机实时动态加载控制。如图5，设计的CI和AI功能分别测量电机输出的脉冲方波的频率以及实时的波形图。根据AI功能的实际测试，AI测量频率范围为5-300Hz，AI测量幅度范围为-7V至7V，AI测量精度为1%-3%。

图5 方波输入频率的相对误差

如图6，DO功能输出3.35-3.48V的高电平到电机。如图7，CO功能为自动输出频率为1529Hz-3MHz的方波脉冲或者输出处于频率范围中设定好脉冲次数的方波，脉冲次数满时停止输出。CO脉冲计数输出设定脉冲输出计数值与实际脉冲输出值一致。图8中方波(为绿色)加了0.005的下偏移量，正弦波(为蓝色)加了0.01的下偏移量，测试输出不同波形信号时产生的频率误差。

图6 直流偏置DO输出的相对误差

图7 方波输出频率CO的相对误差

图8 AO输出频率的相对误差

下图中电压峰峰值相对误差的单位为%，Vpp峰峰值单位为V，频率单位为Hz。LogFreq为原频率取log10。

5 结论

本文针对传统电机测试系统中步骤繁琐，效率较低等问题，设计了基于FPGA的电机测控系统，以STM32+FPGA为核心构成电机测试系统的主控单元，以及采用FSMC总线通信和数据乒乓处理算法对双核心进行控制和数据流不间断传输。通过实物设计和制作对系统可行性进行了验证。实现了电机参数的测试及数据的处理和储存，并能够在上位机里实时显示出来，响应快并运行稳定。